فناوری توربین گاز و هیدروژن
آینده توربینهای گاز و هیدروژن بطور پیچیدهای در هم تنیده شدهاند. تولیدکنندگان توربینهای گاز به خوبی میدانند که محصولات آنها باید برای مواجهه با افزایش مصرف سوخت هیدروژن آماده شوند. در عین حال، توسعه فناوری الکترولیز و افزایش پروژههای تولید هیدروژن همزمان با دسترسی گستردهتر به هیدروژن پاک، شرایط را برای تحقق اهداف حذف آلایندگی کربن توسط کاربران نهایی فراهم میآورد.
در ماه مه 2023، آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا (EPA) پنج اقدام جداگانه را تحت بخش 111 قانون هوای پاک برای رسیدگی به انتشار گازهای گلخانهای از واحدهای تولید توان با سوخت فسیلی پیشنهاد کرد. در میان اقدامات، دستورالعملهای انتشار گازهای گلخانهای از بزرگترین و پرکاربردترین توربینهای گاز صنعتی موجود و تقاضا برای نظرات در مورد رویکردهای دستورالعملهای انتشار گازهای گلخانهای برای دستهبندیهای دیگر توربینها پیشنهاد شد.
بر اساس دستورالعمل 181 صفحهای منتشرشده، راهحل بهینه برای کاهش آلایندگی شامل استفاده از ترکیب 30 درصدی هیدروژن در سوخت توربینهای گاز تحت بار پایه تا 2032 در مرحله اول و سپس افزایش این سهم حجمی به 96 درصد تا 2038 پیشنهاد شدهاست. تولیدکنندگان اصلی متوجه میشوند که توسعه قابلیتهای بیشتری برای احتراق هیدروژنی در توربینهای گاز آنها یک نیاز حیاتی است، زیرا ممکن است چنین الزاماتی در مقطعی در آینده تعیین شود.
علاوه بر این، مقررات مربوط به گازهای گلخانهای تنها اولویت آمریکا نیست. بسیاری از کشورهای دیگر نیز در حال کار بر روی اقداماتی برای کربنزدایی سامانههای انرژی خود هستند و میتوانند مقرراتی را وضع کنند که تولیدکنندگان اصلی برای کمک به صاحبان نیروگاهها باید رعایت کنند. بنابراین، تحقیق و توسعه در سامانههای احتراق پیشرفته که اجازه میدهد تا 100 درصد هیدروژن در توربینهای گازی محترق شود، هدفی یکسان برای تقریبا تمام تولیدکنندگان اصلی توربینهای گاز است.
افزایش منابع هیدروژنی
در اوایل سال جاری میلادی، کارشناسان زیمنس انرژی، میتسوبیشی پاور، GE Vernova و متخصصان دیگر، در همایش بینالمللی پاورجِن در لوئیزیانا آمریکا در نشستی با عنوان “کربنزدایی برای توربینهای گاز با قابلیت دیسپاچینگ در افق 2032 و فراتر از آن” گرد هم آمدند.
بنابر اعلام زیمنس انرژی، هیدروژن جایگزین خوبی برای منابع سوخت موجود، به ویژه گاز طبیعی است. هیدروژن بسیار فراوان است و تجربه استفاده از آن به روشهای مختلف وجود دارد. اگرچه زیمنس انرژی در زمینه استفاده از ترکیب هیدروژن در سوخت توربین گاز پیشتاز صنعت نیست، اما این شرکت بیش از چهار دهه است که از هیدروژن در کاربردهای مختلف استفاده میکند.
سخنران زیمنس در نشست مذکور، شرایط کنونی صنعت توربین گاز در رویارویی با سوخت هیدروژن را به وجود فیل در یک اتاق تاریک تشبیه کرد. چند سال پیش این تردید وجود داشت که اگر هیدروژن کافی تولید شود میتواند تاثیر معناداری بر بخش تولید برق داشته باشد، اما پس از تحقق پروژههای تولید هیدروژن، اهمیت این سوخت در آینده بیشتر نمایان شد.
تعداد پروژههایی که در سطح جهانی اعلام شدهاند، در چند سال گذشته حدود چهار برابر شده و همچنان در حال شتاب هستند. شرکت زیمنس انرژی به یک کارخانه جدید الکترولیز گیگاواتی این شرکت در برلین اشاره کرد که در نوامبر گذشته بطور رسمی افتتاح شد. انتظار میرود تا سال 2025، ظرفیت این کارخانه به حداقل سه گیگاوات افزایش یابد. این شرکت تخمین میزند که با سه گیگاوات ظرفیت الکترولیز نصبشده، میتوان بطور متوسط 300 هزار تن هیدروژن سبز در سال با انرژیهای تجدیدپذیر تولید کرد.
فناوری الکترولیز
تاسیسات زیمنس در برلین، توده سلول سوختی را بر اساس فناوری غشای تبادل پروتون تولید خواهد کرد که بنابر اعلام زیمنس انرژی، این فناوری بهویژه در دنبال کردن منبع انرژی تجدیدپذیر متناوب مناسب است. در اروپا، تعدادی از پروژههای هیدروژن در مقیاس بزرگ با کربن کم و انرژی تجدیدپذیر در حال توسعه هستند. یکی از آنها، پروژه الکترولیز 200 مگاواتی ایر لیکوید در فرانسه در حال ساخت است.
انتظار میرود این پروژه، یکی از اولین پروژههایی باشد که تجهیزات آن از طریق تاسیسات برلین تامین میشود. زیمنس انرژی همچنین در حال کار بر روی چندین پروژه الکترولیز در مقیاس بزرگ دیگر است، مانند یک پروژه در دانمارک و پروژهای دیگر در سوئد که هر دو حداقل تا حدی هیدروژن را برای سنتز سوخت ترکیبی برای حملونقل فراهم میکنند.
در همین حال، میتسوبیشی پاور در حال توسعه سایر فناوریهای تولید هیدروژن از جمله سلولهای الکترولیز اکسید جامد، الکترولیزکنندههای غشای تبادل آنیون (AEM) و فناوری تولید سولفات قلیایی آلومینیوم-هیدروژن نسل بعدی است که هیدروژن را بدون انتشار دیاکسیدکربن از طریق تجزیه متان به هیدروژن و کربن جامد هیدروژن تولید میکند. میتسوبیشی پاور در حال توسعه این فناوریهای بنیادی در پارک کربن خنثی ناگازاکی است و قصد دارد پس از تایید تولید هیدروژن در پارک هیدروژن تاکاساگو، تجاریسازی شود.
میتسوبیشی پاور سابقه طولانی در صحهگذاری فناوریهای توربین گاز خود در یک کارخانه اثباتگر فناوری، معروف به T-Point، در تاسیسات ماشینآلات تاکاساگو، واقع در حدود 50 کیلومتری غرب کوبه ژاپن دارد. پارک هیدروژن اخیرا به سایت اضافه شده و در سپتامبر 2023، وارد خدمت عملیاتی شدهاست. بنابر اعلام میتسوبیشی پاور، هدف این پارک بهبود قابلیت اطمینان محصول از طریق اعتبارسنجی احتراق همزمان هیدروژن و احتراق 100 درصدی هیدروژنی توربینهای گازی است، در حالی که توسعه متوالی را با معرفی نسل بعدی فناوریهای تولید هیدروژن انجام میدهد.
پارک هیدروژن تاکاساگو (شکل 1) بر اساس سه عملکرد مرتبط با هیدروژن به بخشهایی شامل تولید، ذخیرهسازی و استفاده هیدروژن تقسیم میشود. در منطقه تولید، یک الکترولایزر قلیایی ساخت شرکت HydrogenPro نروژ با ظرفیت تولید هیدروژن 1100 متر مکعب معمولی در ساعت فعال است که بنابر اعلام میتسوبیشی پاور، بالاترین میزان آن در جهان در هنگام ورود به خدمت عملیاتی بود. هیدروژن تولیدشده در تجهیزاتی با ظرفیت کل 39 هزار نیوتن متر مکعب ذخیره میشود.
شکل ۱: بنابر اعلام میتسوبیشی پاور، پارک هیدروژن تاکاساگو، اولین مرکز یکپارچهسازی اعتبارسنجی هیدروژن در جهان است که به سه بخش شامل تولید هیدروژن، ذخیره سازی و بکارگیری تقسیم میشود.
کاربران نهایی به فناوری پیشرفته نیاز دارند
همانطور که در دسترسبودن هیدروژن گسترش مییابد، صاحبان توربین گاز شروع به تقاضای انعطافپذیری برای استفاده از آن در درجات مختلف میکنند (شکل 2). در صنعت کاملا تقاضا بر این فرض استوار است که واحدها بتوانند هیدروژن را بسوزانند و مطمئن شوند که آنها برای آینده مقاوم هستند. بنابر اعلام زیمنس انرژی، اگر به کل مجموعه محصولات توربینهای گاز نگاه کرد، حدود 20 محصول مختلف است که امروزه پشتیبانی میشوند و هر کدام از آنها جنبههایی از احتراق هیدروژنی اعم از توسعه، آزمایش ریگ و آزمایش میدانی دارند که انجام شده یا در حال وقوع هستند.
شکل ۲: نیروگاه سیکل ترکیبی 830 مگاواتی High Desert در کالیفرنیا، اخیرا ارتقاء عملکرد FX و محفظه احتراق با آلایندگی ناکس پایین (ULN) را در سه توربین گاز زیمنس انرژی SGT6-5000F خود تکمیل کردهاست. تغییرات محفظه احتراق ULN، امکان استفاده از هیدروژن را بهعنوان منبع سوخت در آینده فراهم میکند.
میتسوبیشی پاور قصد دارد به زودی یک واحد تجاری را با حداکثر 30 درصد هیدروژن راهاندازی کند. به همین دلیل است که اعتبارسنجی 30 درصد احتراق هیدروژنی در نیروگاه سیکل ترکیبی T-Point 2 در سال 2023 بسیار مهم بود. این آزمایش با یک توربین گاز فریم بزرگ میتسوبیشی پاور JAC در کلاس 450 مگاوات انجام شد. به میزان 30 درصد حجمی هیدروژن در اواخر سال گذشته با دمای احتراق 1650 درجه سانتیگراد در توربین گاز توسط میتسوبیشی پاور گزارش شد.
پروژه پیشگام ACES
اولین پروژهای که میتسوبیشی پاور از آن پشتیبانی میکند، پروژه ذخیرهسازی انرژی پاک پیشرفته (ACES) در ایالت یوتا است. انتظار میرود در سال 2025، هیدروژن در یک واحد تجاری راهاندازی شود.
مرکز ACES برای تبدیل حدود 220 مگاوات انرژی تجدیدپذیر به 100 تن هیدروژن سبز در روز طراحی شده که سپس در دو غار نمکی عظیم ذخیره میشوند که در هنگام راهاندازی قادر به ذخیره بیش از 300 گیگاوات ساعت انرژی پاک قابل دیسپاچینگ هستند. این مرکز از پروژه بزرگ انرژی آمریکا موسوم به IPP پشتیبانی میکند (شکل 3).
شکل ۳: در ژوئن و ژوئیه 2023، میتسوبیشی پاور دو توربین گاز کلاس پیشرفته M501JAC را به پروژه IPP که در یوتا در حال ساخت است، تحویل داد.
پروژه IPP در ابتدا شامل دو واحد زغالسنگسوز با ظرفیت ترکیبی 1900 مگاوات بود. پروژه بهسازی IPP، شامل بازنشستگی واحدهای موجود با سوخت زغالسنگ، ساخت نیروگاه سیکل ترکیبی توربین گاز 840 مگاواتی با قابلیت استفاده از هیدروژن، نوسازی سامانه انتقال به کالیفرنیای جنوبی و توسعه تولید هیدروژن و قابلیت ذخیرهسازی طولانیمدت است.
پس از اتمام، پروژه IPP از الکترولیز با انرژی تجدیدپذیر برای تولید هیدروژن استفاده کرده و آن را در غارهای نمک زیرزمینی برای استفاده بهعنوان سوخت در توربینهای گاز ذخیره میکند. این واحدها در ابتدا با ترکیبی از 30 درصد هیدروژن سبز و 70 درصد گاز طبیعی کار خواهند کرد و تا سال 2045، به تدریج به 100 درصد هیدروژن سبز گسترش خواهند یافت.
با این حال، در شرایطی که میل به قابلیت سوزاندن هیدروژن ممکن است روندی جهانی باشد، اما هیچ راهحلی یکسان برای همه وجود ندارد. طرحهای کربنزدایی در تگزاس، نیوانگلند، جنوب شرقی و غرب آمریکا همگی بسیار متنوع هستند، به این دلیل که هر مکانی نیازهای متفاوتی دارد.
با افزایش نیاز، میتسوبیشی پاور اعتبارسنجی هیدروژن بیشتری را در آیندهای نه چندان دور برنامهریزی کردهاست. بهعنوان مثال، این شرکت از یک توربین گاز H-25 در کلاس 40 مگاوات که قبلا برای راندن کمپرسور در تأسیسات آزمایش احتراق در تاکاساگو برای تایید 100 درصد احتراق هیدروژن در اواخر سال جاری نصب شده بود، استفاده خواهد کرد.
در سال 2022، شرکت Vernova GE، محدودیت انتشار آلایندگی ناکس، دیاکسیدکربن و آمونیاک از خروجی نیروگاهها را در شرایط عملیاتی حالت پایدار با سطوح ترکیب سوخت هیدروژنی تا 44 درصد حجمی تایید کرد. این پروژه که در ایستگاه برق برنتوود NYPA در لانگ آیلند در نیویورک تکمیل شد، در سال 2023 برنده جایزه نیروگاههای برتر آمریکا شد.
سایت برنتوود (شکل 4) دارای یک توربین گاز LM6000 PC محصول جنرال الکتریک است که در سال 2001 راهاندازی شد و از یک سامانه احتراق محفظه حلقوی استفاده میکند. بیش از 20 سال است که جنرال الکتریک قابلیتاطمینان و عملکرد را بطور فزایندهای در LM6000 بهبود بخشیده و این شرکت همچنان به فروش این پیکربندی موتور برای نصب واحدهای جدید ادامه میدهد. بنابر اعلام Vernova GE، تمام نتایج آزمایش از نمونه اثباتگر فناوری اداره برق نیویورک برای توربینهای گاز جدید LM6000 با پیکربندی احتراق مشابه نیز قابلاستفاده است.
شکل ۴: اداره برق نیویورک و تیمی از همکاران که شامل GE Vernova و دیگر شرکتها میشد، آزمایشهای موفقیتآمیز ترکیب سوخت از 5 درصد تا 44 درصد (برحسب حجم) هیدروژن را در نیروگاه برنتوود در لانگ آیلند در نیویورک انجام دادند.
ترکیب سوخت بین 5 تا 44 درصد (بر اساس حجم) هیدروژن متغیر بود. محدوده ترکیب بر اساس توصیه GE Vernova بوده که بر اساس چندین فاکتور از جمله قابلیت موتور در سایت، مقدار هیدروژن موجود و شرایط سایت انتخاب شد.
با افزایش ترکیبات هیدروژنی، انتشار آلایندگی ناکس توربین گاز برای محفظههای احتراق با آلایندگی کم، ممکن است در مقایسه با گاز طبیعی بیشتر باشد، به این دلیل که دمای احتراق آدیاباتیک هیدروژن بالاتر است. محدودیت انتشار ناکس در سایت برنتوود 2.5 قسمت در میلیون ppm در خروجی است. در طول آزمایش، تیم توانست به لطف محفظه احتراق تزریق آب SAC توربین گاز LM6000 و سامانه کاهش کاتالیزوری انتخابی SCR ، انتشار گازهای گلخانهای را در سطوح مجاز فعلی حفظ کند.
بنابر اعلام GE Vernova، بر اساس تجربه گسترده ناوگان از مجموعه فعلی توربینهای گاز مشتقشده و پرقدرت با سوختهایی با ترکیب هیدروژن بالاتر از 50 درصد (بر اساس حجم) و در یک مورد، با سوختهایی که تا 94 درصد (بر اساس حجم) هیدروژن دارند، عملکرد توربین گاز LM6000 با ترکیبهای هیدروژنی مناسب است.
با این حال، بنابر اعلام این شرکت، برای آزمایشهای آتی با استفاده از ترکیبهای هیدروژنی بالاتر، ممکن است سایتها نیاز به ارتقای سامانههای SCR و یا سامانههای تزریق آب داشته باشند تا جریانهای آب بالاتری داشته باشند که در این صورت انتشار گازهای گلخانهای مشابه آنچه هنگام احتراق گاز طبیعی به دست میآید، حفظ میشود.
دولت استرالیا با توجه به شرایط موجود در رابطه با از رده خارجشدن نیروگاههای زغال سنگسوز و مقادیر عظیم انرژی خورشیدی، متعهد به کاهش انتشار گازهای گلخانهای است و در نتیجه برخی از دارندگان توربینهای احتراق به هیدروژن روی میآورند.
بهعنوان مثال میتوان به یک نیروگاه سیکل ساده 200 مگاواتی کلاس اف در استرالیا اشاره کرد که متعهد شده تا سال آینده 1 تا 5 درصد هیدروژن را بسوزاند. پنج درصد هیدروژن یعنی تقریبا 200 هزار کیلوگرم هیدروژن در سال برای تعداد ساعاتی است که آنها عملیاتی هستند. این میزان هیدروژن سالانه بیشتر از آن چیزی است که استرالیا امروز برای هیدروژن پاک تولید میکند. ایجاد زیرساخت و زنجیره تامین برای حمایت از حرکت به سمت هیدروژن پاک آسان نخواهد بود.
استرالیا دقیقا چنین بازار محوری است، به این دلیل که مجوز دولتی برای توسعه نیروگاههای جدید، واقعا به مسیری برای کربنزدایی نیاز دارد و در بسیاری از موارد، این بدان معناست که بتوان مسیرهای کربنزدایی با هیدروژن را اثبات کرد.
بهعنوان مثال دیگری در استرالیا، میتوان به یک نیروگاه در حال توسعه اشاره کرد که دارای 12 واحد توربین گاز مشتق از موتور هوایی است. توربینهای احتراق در حال حاضر قادر به کار بر روی 35 درصد هیدروژن هستند. توانایی کار بر روی سطوح بالاتر هیدروژن توسط توربینهای گاز محدود نمیشود، زیرا شرکتها متعهد میشوند که در طول زمان بهروزرسانیها را انجام دهند.
منبع:
#توربین گاز صنعتی #سوخت هیدروژن #آلایندگی زیست محیطی
